【文章內(nèi)容簡介】 能 的 直 線 滾 動 組 件 ， 高 精 度 主 軸 單 元 等 功 能 部 件 推 廣 應(yīng) 用 ，極 大 的 提 高 數(shù) 控 機 床 的 技 術(shù) 水 平 。 　 　 體 現(xiàn) 在 新 技 術(shù) 的 廣 泛 應(yīng) 用 和 企 業(yè) 效 益 的 明 顯 改 善 。 目 前 機 床 行 業(yè) 的 消 費 主 流 是數(shù) 控 機 床 。 從 國 內(nèi) 外 市 場 對 數(shù) 控 機 床 的 需 求 來 看 ， 以 后 數(shù) 控 機 床 市 場 具 有 以 下 特 征 ：一 是 經(jīng) 濟 型 數(shù) 控 機 床 是 以 后 的 主 流 產(chǎn) 品 。 二 采 用 新 技 術(shù) ， 降 低 成 本 ， 提 高 產(chǎn) 品 穩(wěn) 定 性是 企 業(yè) 生 存 的 關(guān) 鍵 。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點，才對機床的生產(chǎn)率、加工精度和壽命提出了更高的要求。 設(shè)計目的數(shù)控機床是高度自動化機床,其生產(chǎn)效率和加工精度也越來越高，但是由于機械結(jié)構(gòu)5 / 54（如機床床身、導(dǎo)軌、工作臺、刀架和主軸箱等）的幾何誤差、加工過程機床的熱變形、運動間的摩擦、傳動間隙等因素的影響，數(shù)控機床的加工精度和加工效率還有一定的提升空間，本次設(shè)計的目的就是最大程度的提高數(shù)控機床的加工精度。6 / 54 初定傳動方案傳動機構(gòu)是將機器原動機的運動和動力傳遞給機器執(zhí)行機構(gòu)的中間環(huán)節(jié),傳動機構(gòu)中各傳動件因設(shè)計、制造和裝配不準(zhǔn)確及運行中產(chǎn)生的磨損、受外力、溫度變化引起的變形等因素會影響傳動機構(gòu)的精度,所以對傳動機構(gòu)的設(shè)計要求較高。常見的變速方式有三種：通過齒輪結(jié)構(gòu)變速、通過帶傳動變速、有調(diào)速電機直接驅(qū)動。這三種傳動各有優(yōu)缺點。 齒輪調(diào)速機構(gòu)可以通過少數(shù)幾對齒輪減速，擴大了輸出扭矩，以滿足主軸對輸出扭矩特性的要求。以獲得強力切屑時所需要的扭矩。而且齒輪傳動的經(jīng)度較高，但是這種結(jié)構(gòu)幾何尺寸較大，而且對制造精度、安裝精度要求高。 帶傳動可以緩和沖擊和振動，而且?guī)鲃又行木嗖皇芟拗?，只要陪以合適的緊鏈結(jié)構(gòu)，理論上中心距可以達到很大。當(dāng)設(shè)備承受載荷過大時可以通過打滑，提高設(shè)備的防過載能力。但帶傳動傳遞效率較低，易出現(xiàn)皮帶打滑造成皮帶磨損劇烈，而且傳動比也不明確。所以帶傳動一般和齒輪傳動一起進行傳動。 電機的旋轉(zhuǎn)速度之所以能夠自由改變，是因為感 應(yīng) 式 交 流 電 機 （ 以 后 簡 稱 為 電 機 ）的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 近 似 地 確 決 于 電 機 的 極 數(shù) 和 頻 率 。 由 電 機 的 工 作 原 理 決 定 電 機 的 極 數(shù) 是固 定 不 變 的 。 由 于 該 極 數(shù) 值 不 是 一 個 連 續(xù) 的 數(shù) 值 （ 為 2 的 倍 數(shù) ， 例 如 極 數(shù) 為2， 4， 6） ， 所 以 一 般 不 適 和 通 過 改 變 該 值 來 調(diào) 整 電 機 的 速 度 。 另 外 ， 頻 率 能 夠 在 電機 的 外 面 調(diào) 節(jié) 后 再 供 給 電 機 ， 這 樣 電 機 的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 就 可 以 被 自 由 的 控 制 。 這種主傳動方式大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度。改 變 頻率 和 電 壓 是 最 優(yōu) 的 電 機 控 制 方 法 但 如 果 僅 改 變 頻 率 而 不 改 變 電 壓 ， 頻 率 降 低 時 會使 電 機 出 于 過 電 壓 （ 過 勵 磁 ） ， 導(dǎo) 致 電 機 可 能 被 燒 壞 。 因 此 變 頻 器 在 改 變 頻 率 的 同時 必 須 要 同 時 改 變 電 壓 。 輸 出 頻 率 在 額 定 頻 率 以 上 時 ， 電 壓 卻 不 可 以 繼 續(xù) 增 加 ， 最高 只 能 是 等 于 電 機 的 額 定 電 壓 。 因 此 電 機 產(chǎn) 生 的 轉(zhuǎn) 矩 要 隨 頻 率 的 減 小 （ 速 度 降 低 ）而 減 小，難以保證低速時主軸的轉(zhuǎn)矩。 綜合上述所有問題的考慮，本次設(shè)計采用齒輪傳動和帶傳動相結(jié)合的傳動方式。這種傳動方式不但能夠保證低速時的轉(zhuǎn)矩，還能使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量在系統(tǒng)中專有較小的比重，更容易控制傳動的精度。 方案的選擇 參照數(shù)控機床的發(fā)展趨勢以及對一些典型機床的分析，可初定步將此數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速分為高低兩檔,共有 12 級轉(zhuǎn)速：其中高低兩檔各有 6 級轉(zhuǎn)速，低速檔時7 / 54=340r/ =45r/min。高速檔時 =1800 r/min， =235 r/min；maxnin maxnmin電機的轉(zhuǎn)速和功率分別為 1500 r/min。已知主軸的轉(zhuǎn)速分為 12 級，參考文獻 1，可將機床的轉(zhuǎn)速分為高低兩檔，其中高檔最大轉(zhuǎn)速 為 1800r/min，最小轉(zhuǎn)速 為 235 ax inr/min；R1= / =1800/235=,R= [1]mnin ?z?當(dāng)機床處于低速檔時,轉(zhuǎn)速范圍 = minax= 4530=。 = ，即RnR1?z?= = =，取 =≈ ,已知 =45,查標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表(見參考文獻 1?1?第 6 頁).從表中找到 =45,就可每隔六個數(shù)取得一個數(shù),得低速檔的 6 級轉(zhuǎn)速分別為min45,67,103,154,230,340 r/min。 當(dāng)機床處于高速檔時, 主軸共有 6 級，轉(zhuǎn)速范圍 = =。 = ，即 nR235180nR1?z?= = =,取 =≈ ,已知 =1800 ,查標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列表(見參考文獻 1?1??第 6 頁).從表中找到 =1800, 就可每隔六個數(shù)取得一個數(shù),得高速檔的 6 級轉(zhuǎn)速分別為max236,354,543,815,1200,1800 r/min。 基本參數(shù)確定后，就可以根據(jù)需要確定具體的傳動方式了，首現(xiàn)確定數(shù)控機床的主傳動方式。數(shù)控機床的主傳動要求傳遞給一定的功率，要求主軸轉(zhuǎn)速可以按加工要求在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)作有級機速，并且要求轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換要迅速可靠，并能滿足壽命要求。 齒輪變速機構(gòu)的設(shè)計 由于整個裝置為級變速，傳動副數(shù)由于結(jié)構(gòu)的限制以 2 或 3 為合適，即變速級數(shù) Z應(yīng)為 2 和 3 的因子 Z= 3?？梢杂袃煞N方案：a2方案一 12=2328 / 54圖 21 主軸箱傳動方案 1傳動齒輪數(shù)目 2（2+3+2）=14。傳動軸數(shù)目為 4 根。操縱機構(gòu)較為簡單：兩個滑移齒輪和一個三聯(lián)滑移齒輪，可單獨也可集中操縱。方案二 12=34圖 22主軸箱傳動方案 2傳動齒輪數(shù)目 14 個。傳動軸數(shù)目為 3 根。9 / 54兩方案結(jié)構(gòu)非常相似，運用的齒輪數(shù)量相當(dāng)?shù)桨付?，中間軸上齒輪較多，所承擔(dān)負(fù)載較大，對軸的剛度要求過高，負(fù)載時軸的變形過大影響機床加工的精度。相對來說方案一軸的數(shù)目較多，但結(jié)構(gòu)還是比較清晰，沒根軸上的載荷分配比較均勻，受載時變形較少，有利于提高傳動精度。綜合各方面因素選用方案一較為合適。 各級傳動比的計算假設(shè)結(jié)構(gòu)如圖：圖 23 傳動比分配圖由于已經(jīng)設(shè)計了各軸之間的相對位置關(guān)系，由傳動系統(tǒng)草圖知共有六個傳動比。分別設(shè)齒輪 1 和齒輪 4 之間的傳動比為 ,齒輪 2 和齒輪 5 之間的傳動比為 ,齒輪 8 和14i 25i齒輪 9 之間的傳動比為 ,齒輪 3 和齒輪 6 之間的傳動比為 ,齒輪 7 和齒輪 10 之間的89i 36i傳動比為 ,帶輪傳動比為 。710i輪 帶設(shè)其中 。當(dāng)處于低檔時，手動操作使得齒輪 12 和齒輪 14 嚙合。25436i當(dāng)中間的電磁離合器得電，齒輪 2 和齒輪 5 之間嚙合，當(dāng)時的主軸轉(zhuǎn)速最小，為 45或 67 r/min?？傻? 1500=45r/min25i89輪 帶i13i 1500=67 r/min輪 帶 24當(dāng)左側(cè)的電磁離合器得電，齒輪 3 和齒輪 6 之間嚙合，當(dāng)時的主軸轉(zhuǎn)速最大，為 226或 340 r/min?？傻? 1500=230 r/min36i89輪 帶i13 1500=340 r/min輪 帶 24當(dāng)右側(cè)的電磁離合器得電，齒輪 1 和齒輪 4 之間嚙合，當(dāng)時的主軸轉(zhuǎn)速為 100 或 150可得 1500=100 r/min14i89輪 帶i13 1500=150 r/min輪 帶 2410 / 54當(dāng)處于高檔時，手動操作使得齒輪 7 和齒輪 10 嚙合236 或 354可得 1500=235 r/min25i710輪 帶i13 1500=354 r/min輪 帶 24當(dāng)左側(cè)的電磁離合器得電，齒輪 3 和齒輪 6 之間嚙合，當(dāng)時的主軸轉(zhuǎn)速最大，為1200 或 1800可得 1500=1200 r/min36i710輪 帶i13 1500=1800 r/min輪 帶 24當(dāng)右側(cè)的電磁離合器得電，齒輪 1 和齒輪 4 之間嚙合，當(dāng)時的主軸轉(zhuǎn)速為 543 或 816可得 1500=543 r/min14i70輪 帶i13 1500=815 r/min輪 帶 24由這 6 各方程聯(lián)列可解得 ≈ ≈ ≈ 14i 36i ≈ ≈ ≈ 輪 帶 ≈ ≈ 13i 傳動比的選用時，應(yīng)注意的幾個問題，充分使用齒輪副的極限傳動比 =1/4，minu=2，maxu這個傳動方案采用了帶輪變速和齒輪變速相結(jié)合的方式，不但保證了低速時的傳動力矩，而且減少了傳動件數(shù)，進而減少了傳動過程中產(chǎn)生的誤差。在實踐中，若傳動比過大，特別是中間軸的傳動，會導(dǎo)致齒輪和箱體尺寸過大，齒輪線速度增大，容易產(chǎn)生振動和噪音，不利于提高加工精度。這組齒輪傳動中傳動比合適，零件尺寸適中，既有利于減少震動和噪音，又有利于提高傳動的精度。 各軸轉(zhuǎn)速的確定方法由傳動比和電機的轉(zhuǎn)速，可以計算出各軸的轉(zhuǎn)速；1.Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速Ⅰ軸從電機得到運動，經(jīng)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成各級轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速和主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)相接近。顯然，從傳動件在高速運轉(zhuǎn)下恒功率工作時所受扭矩最小來考慮，Ⅰ軸不宜將電機轉(zhuǎn)速降得太低。但如果Ⅰ軸上裝有摩擦離合器一類部件時，高速下摩擦損耗、發(fā)熱都將成為突出矛盾，因此，Ⅰ軸轉(zhuǎn)速也不宜太高機床的Ⅰ軸轉(zhuǎn)速一般取 700～1000 r/min 左右比較合適。另外也要注意到電機與Ⅰ軸的傳動方式，如用帶輪傳動時，降速比不宜太大，和主軸尾部可能干涉。2. 中間傳動軸的轉(zhuǎn)速 對于中間傳動軸的轉(zhuǎn)速的考慮原則是：妥善解決結(jié)構(gòu)尺寸大小與噪音、振動等性能要求之間的矛盾。中間傳動軸的轉(zhuǎn)速較高時，中間傳動軸和齒輪承受扭矩小，可以使軸11 / 54徑和齒輪模數(shù)小些，從而可以使結(jié)構(gòu)緊湊。但是，這將引起空載功率和噪音加大。從經(jīng)驗知：主軸轉(zhuǎn)速和中間傳動軸的轉(zhuǎn)速時，應(yīng)結(jié)合實際情況作相應(yīng)修正：對于功率較大的重切削機床，一般主軸轉(zhuǎn)速較低，中間軸的轉(zhuǎn)速適當(dāng)取高一些對減小結(jié)構(gòu)尺寸的效果較明顯。對高速輕載或精密機床，中間軸轉(zhuǎn)速宜取低一些?？刂讫X輪圓周速度，在此條件下，可適當(dāng)選用較高的中間軸轉(zhuǎn)速。smV/8? 轉(zhuǎn)速圖的確定運動參數(shù)確定以后，主軸各級轉(zhuǎn)速就已經(jīng)知道了，而且根據(jù)設(shè)計出來的各級齒輪的傳動比，這樣就可以擬定主運動的轉(zhuǎn)速圖，使主運動逐漸具體化。 電 動 機 Ⅰ 軸 Ⅱ 軸 主 軸 ： ： ：： 7： 4：此機床集中傳動:公比為 ,級數(shù) Z=12,變速范圍 R=1800/45=40。41.??12 / 54 齒輪的計算(計算過程參考文獻 2 第八章) 確定齒輪齒數(shù)和模數(shù)（查表法）可以用計算法或查表法確定齒輪齒數(shù)，后者更為簡便。根據(jù)上面計算的傳動比和初步定出的小齒輪齒數(shù)，查表即可求出齒輪副齒數(shù)之和，再減得大齒輪的齒數(shù)。用查表法求Ⅰ軸和Ⅱ軸上的齒輪的齒數(shù)和模數(shù)1. 常用傳動比的適用齒數(shù)（小齒輪）選取時應(yīng)注意：不產(chǎn)生根切。一般取 Zmin≥18～20；保證強度和防止熱變形過大，齒輪齒根圓到鍵槽的壁厚 δ≥2m,一般取 δ＞5mm 則 Zmin≥+2T/m。同一傳動組的各對齒輪副的中心距應(yīng)當(dāng)相等。若模數(shù)相同，則齒數(shù)和亦應(yīng)相等。但由于傳動比的要求，尤其是在傳動中使用了公用齒輪后，常常滿足不了上述要求。機床上可用修正齒輪，在一定范圍內(nèi)調(diào)整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齒數(shù)差不能超過 3～4 個齒。為了防止各種碰撞和干涉，三聯(lián)滑移齒輪的相鄰兩齒輪的齒數(shù)差應(yīng)大于 4。所以，可以假設(shè)其中最小的齒輪 2 齒數(shù)為 20，而且由上可知，齒輪 2 和齒輪 5 之間的傳動比為 ，查常用傳動比的適用齒數(shù)（小齒輪）表，可找到最接近的傳動比為，當(dāng)時的齒數(shù)之和為 82?？傻么簖X輪齒數(shù)為 62。2. 齒輪模數(shù)的估算按接觸疲勞和彎曲疲勞強度計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜,而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已經(jīng)知道后方可確定,所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的估算：≥32 mm ?m3znjN其中 N 計算齒輪傳遞的額定功率 N=ηN d齒輪點蝕的估算：A≥370 mm3njN其中 為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速,A 為齒輪中心距。nj由中心距 A 及齒數(shù) zz2 求出模數(shù)： 21zAmj??根據(jù)估算所得 和 中較大得值,選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)?13 / 54以齒輪 2 和齒輪 5 為例= n=1500=801 r/minnj輪 帶iN== ≥32 ≈?? A≥370 ≈. ≈???mj所以,根據(jù) 選取,為了保證模數(shù)一定滿足要求,假設(shè)齒輪 2 和齒輪 5 的模數(shù)為 3j由此可知,輸入軸 1 和傳動軸 2 之間的中心距為 A= = =123mm2)5(zm??)60(3??